010700/08 13 «Физические процессы в атмосферах планет» 36 «Мониторинг окружающей среды»

Программа итогового государственного экзамена
по специальности по магистерским программам
010700/08
13 «Физические процессы в атмосферах планет»
36 «Мониторинг окружающей среды»
Структурные параметры атмосферы
1. Структурные параметры атмосферы (давление, плотность, температура, молекулярный вес, концентрация частиц) и
их единицы.
2. Определение давления и температуры из кинетической теории газов. Уравнение состояния идеального газа.
3. Силы, действующие в атмосфере. Уравнение гидростатики и его обоснование. Ускорение силы тяжести.
4. Поле давления. Вертикальное распределение давления и плотности атмосферы. Высота однородной атмосферы.
Модели атмосферы и их назначение. Горизонтальное распределение давления. Понятие циклона и антициклона.
Первопричина возникновения барических неоднородностей, образование циркуляционной ячейки.
5. Локальное термодинамическое равновесие для поступательных степеней свободы. Уравнение релаксации. Время
релаксации для кинетического движения молекул. Отклонения от максимального распределения и нарушение уравнения
гидростатики в верхней атмосфере.
6. Поле температуры. Вертикальное распределение температуры и его объяснение. Разбиение атмосферы на слои на
основании вертикального хода температуры (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера). Суточные, широтные,
сезонные и нерегулярные вариации температуры. Электронная и ионная температуры и отличие их от нейтральной
составляющей. Методы определения структурных параметров атмосферы.
Литература
1. Гуди Р. М. Атмосферная радиация. Основы теории. М.: Мир, 1966.
2. Космическая физика. М.: Мир, 1966.
3. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
4. Митра С. К. Верхняя атмосфера. М.: Изд-во иностр. лит., 1955.
5. Николе М. Агрономия. М.: Мир, 1964.
6. Тверской П. Н. Курс метеорологии (физика атмосферы). Л.: Гидрометеоиздат, 1962.
7. Хвосчтиков И. А. Высокие слои атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1964.
8. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М.: ГИФЛМ, 1958.
9. Чемберлен Дж. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.
Состав атмосферы
1. Гомосфера и гетеросфера. Состав гомосферы: основные и второстепенные газы. Особенности распределения водяного
пара. Состав атмосфер других планет (Меркурий, Венера, Марс, внешние планеты) и трудности его исследования.
2. Солнечное излучение. Солнечная постоянная. Распределение энергии по спектру. Строение Солнца (фотосфера,
хромосфера, корона) и объяснение особенностей солнечного спектра. Поглощение ультрафиолетового излучения в
земной атмосфере.
3. Нейтральный состав атмосферы. Общее уравнение, определяющее распределение любой компоненты атмосферы.
Диффузионное или гравитационное распределение газов. Распределение N2. Распределение O2 и O в рамках
фотохимической теории и с учетом молекулярной и турбулентной диффузии. Понятие о фотохимическом времени
жизни компоненты и времени и времени перемешивания. Озон в атмосфере.
4. Понятие о верхней границе атмосферы но эффекту диссипации газов. Экзосфера. Диссипация газов из атмосферы
Земли. Гипотеза о прохождении планет и атмосферы Земли.
5. Ионосфера. Особенности вертикального распределения электронов. Теория образования ионосферных слоев.
Чепменовский слой (закон). Особенности поведения и теории слоев D, Е, F1, F2. Вертикальное распределение ионов и
их суточные вариации.
6. Аэрозоль. Распределение частиц по размерам. Источники аэрозоля. Распределение аэрозоля но высоте. Серебристые
облака. Методы исследования
состава атмосферы.
Литература
1. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд-во иностр.
лит., 1961.
2. Гуди P. M. Атмосферная радиация. Основы теории. М.: Мир, 1966.
3. Кондратьев К. Я. Актинометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
4. Соболев В. В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звёзд и планет. М.:
ГИТТЛ, 1965.
5. Тверской П. Н. Курс метеорологии (физика атмосферы). Л.:
Гидрометеоиздат, 1962.
6. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М.: ГИФЛМ, 1958.
7. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехиздат, 1951.
Излучение в атмосфере
1. Общие понятия
• Основные понятия: интенсивность, плотность, поток и полный поток излучения, и приток лучистой энергии. Закон
Ламберта. Интегральные характеристики поля излучения. Уравнение переноса излучения в общем виде. Коэффициенты
ослабления и излучения. Функция источника, вероятность выживания кванта, индикатриса рассеяния. Понятия
изотропной и анизотропной сред для переноса излучения. Вектор-параметр Стокса. Закон Буге—Ламберта. Решение
уравнения переноса излучения.
• Понятия длины оптического пути, оптической толщины, пропускания и поглощения излучения. Эффект Форбса.
Физический смысл притока лучистой энергии Понятия монохроматического и лучистого
равновесия.
• Спектры атмосферных газов. Контур и ширина линий. Уширение в результате столкновений и доплер-эффекта.
Структура вращательных и колебательно-вращательных спектров. Вращaтeльныe, колебательно-вращaтeльныe и
электронно-колебательно-вращательные полосы и континуумы атмосферных газов. Атмосферные окна прозрачности.
Функции поглощения атмосферных газов.
• Рассеяние и поглощение света частицами и молекулами. Общая постановка задачи рассеяния и поглощения частицами.
Оптические свойства частиц (показатели преломления и поглощения) и зависимость их от размера частицы и частоты
излучения. Показатель преломления для радиоволн в ионосфере. Поглощение малыми частицами, зависимость
поглощенной энергии от длины волны и объёма частицы. Релеевское рассеяние, индикатриса рассеяния, поляризация
рассеянного света. Зависимость количества рассеянной от длины волны и объема частицы. Молекулярное рассеяние,
отклонения молекулярного рассеяния от релеевского (фактор деполяризиации). Определение факторов эффективности
ослабления рассеяния и поглощения. Особенности хода фактора эффективности ослабления как функции. Принцип
Бабине. Аномальная дифракция, объяснение этого явления на примере больших «мягких» частиц. Индикатриса
рассеяния для больших частиц. Оптические явления на каплях и ледяных кристаллах (ореол, дифракционные венцы,
гало, радуга, глория).
• Аэрозольное и молекулярное ослабление света в реальной атмосфере, зависимость коэффициента ослабления от длины
волны, закон Ангстрема. Цвет неба. Индикатриса рассеяния реальной атмосферы. Радиолокационная метеорология.
2. Перенос солнечного излучения
• Альбедо подстилающей поверхности (вода, суша), облаков и Земли как планеты. Прямое солнечное излучение.
Астрономические определения, связанные с движением Солнца по небесному своду. Долгота дня. Сумерки и зори
(гражданские и астрономические сумерки). Освещённость и суточная сумма прихода солнечного излучения на
поверхность Земли в случае отсутствия атмосферы. Ослабление прямого солнечного излучения в атмосфере. Понятия
прозрачности и массы атмосферы. Фактор мутности. Метод бугеровских прямых для определения внеземного
солнечного излучения и составляющих ослабления
прямой радиации.
• Рассеянное солнечное излучение. Понятие диффузии фотона. Особенности задачи теоретического исследования поля
рассеянного излучения. Однократное и многократное рассеяние. Приближенное решение уравнения переноса для
двучленной вытянутой индикатрисы с использованием приближения Эддингтона. Освещённость земной поверхности,
вклад в нее прямого и рассеянного излучения, зависимость освещённости от альбедо, вытянутости индикатрисы
рассеяния, оптической толщины и зенитного угла солнца. Яркость неба в предельных случаях оптически тонкой и
толстой атмосфер и ее зависимость от вытянутости индикатрисы, альбедо положения Солнца, направления визирования.
Методы исследования атмосферы, основанные на наблюдении рассеянного излучения (определение индикатрисы по
яркости неба, сумеречный, прожекторный и лазерный методы). Поляризация рассеянного света.
• Атмосферная рефракция. Уравнение траектории луча. Эффекты астрономической и земной рефракции. Миражи.
Сплюснутость небесного свода.
3. Перенос собственного излучения атмосферы и земной поверхности
• Полосы поглощения, ответственные за перенос собственного излучения. Уравнение переноса собственного излучения,
смысл коэффициентов поглощения и излучения, и функции источника, интенсивность линии и полосы. Кинетическое
уравнение заселённости состояния молекулы. Локальное термодинамическое равновесие для вращательных и
колебательных состояний молекулы. Понятие о временах вращательной и колебательной релаксации. Уравнение
переноса излучения при условии выполнения локального термодинамического равновесия.
• Характеристики поля собственного излучения: восходящее к нисходящее излучение, уходящее излучение и
противоизлучение атмосферы, полный или эффективный поток, эффективная температура излучения, поглощательная
способность излучающей поверхности, понятие излучающего слоя. зависимость эффективной температуры восходящего
и нисходящего излучения от коэффициента поглощения, распределения концентрации поглощающего газа. угла наклона
луча. влияние трансформации контура линии на формирование восходящего и нисходящего излучения. Определение
распределения температуры и поглощающих субстанций по измерению собственного излучения атмосферы. Перенос
собственного излучения в облаках. Обратные задачи теплового излучения планетных атмосфер.
• Поток теплового излучения, функции Е, приближённый учёт диффузности. Лучистый приток энергии за счёт переноса
собственного излучения. Роль отдельных линий и полос в тепловом режиме планетных атмосфер. Лучистый приток
энергии в предельном случае оптически толстой атмосферы. Диффузионный поток лучистой энергии. Приближённый
метод Шварцшильда—Шустера для расчёта потока и притока лучистой энергии. Парниковый эффект.
Литература
1. Месси Х. C., Бонд Р. Л. Верхняя атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.
2. Геофизика. Околоземное космическое пространство. М.: Мир, 1964.
3. Митра С. К. Верхняя атмосфера. М.: Изд-во иностр. лит., 1955.
4. Сазонов Б. Я. Высотные барические образования и солнечная активность. Л.: Гидрометеоиздат, 1964.
5. Солнечная активность и изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1966.
6. Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1968.
7. Кахилл Л. УФН. 1965. Т. 87. В. 3. С. 539.
8. Кахилл Л. УФН. 1965. Т. 87. В. 3. С. 551.
9. Акасофу С. УФН. 1966. T. 89. В. 4. С. 669.
10. О’Брайен Б. УФН. 1966. T. 89. В. 4. С. 681.
11. Чемберлен Дж. Физика полярных сияний и излучения атмосферы. ИИЛ. 1963.
12. Эккарт К. Гидродинамика океана и атмосферы. ИИЛ. 1963,
13. Яновский В. М. Земной магнетизм, ч. 1, Л. Изд. ЛГУ, 1964.
Динамика, энергетика и тепловой режим атмосферы
1. Основные уравнения динамики и термодинамики атмосферы
• Кинетическое уравнение Больцмана получение из него общего вида уравнения переноса. Уравнение непрерывности.
Уравнение движения (формы записи Эйлера и Рейнольдса). Объёмные и поверхностные силы, действующие в
атмосфере. Вывод выражений для сил центробежной и Кориолиса. Тензор вязких напряжений и силы молекулярной
вязкости. «Сила инерции». Уравнение сохранения энергии и его представление в виде уравнения притока тепла.
Уравнение баланса кинетической энергии. Диссипация кинетической энергии
• Сухо- и влажно-адиабатические процессы и соответствующие им градиенты температуры. Потенциальная
температура. Термодинамический критерий устойчивости атмосферы по методу частицы.
2. Атмосферная турбулентность
• Полуэмпирическая теория Прандтля, физическая и математическая модели турбулентного переноса субстанции, путь
смешения, коэффициент турбулентности. Пределы применимости теории Прандтля. Условие консервативности и
пассивности субстанции. Пульсации скорости, температуры, плотности и давления в атмосфере.
• Уравнение непрерывности в турбулизованной среде. Уравнение диффузии в турбулизованной среде, турбулентный
поток примеси. Турбулентный поток и приток тепла. Равновесный градиент температуры. Сила турбулентного трения в
уравнениях движения. Тензор турбулентных напряжений. Переход кинетической энергии осреднённого движения в
турбулентную энергию.
• Уравнение баланса кинетической энергии осреднённого движения. Уравнение баланса турбулентной энергии в общем
виде, используемое в атмосферных задачах. Работа сил плавучести
• Критерии возникновения и развития турбулентных пульсаций. Понятие подобных течений и критерии подобия. Число
Рейнольдса в качестве критерия устойчивости. Число Ричардсона в качестве критерия
устойчивости сжимаемой среды. Влияние лучистого теплообмена на устойчивость атмосферы.
• Статистическое описание турбулентности. Моменты. Лагранжевы и Эйлеровы коэффициенты корреляции.
Автокорреляция и взаимные корреляционные функции. Структурные функции. Макро и микромасштабы времени и
длины. Гипотеза «замороженной» турбулентности. Методы измерения пульсаций метеорологических полей. Метод
Лагранжа в турбулентной диффузии, связь среднеквадратичного отклонения частицы с коэффициентом корреляции,
зависимость среднеквадратичного отклонения от времени в предельных случаях. Связь дисперсии с коэффициентом
диффузии.
• Спектр турбулентности. Спектральная функция. Определение максимального и минимального размера турбулентных
вихрей на основе критических чисел Рейнольдса н Ричардсона. Классификация турбулентных неоднородностей в
несжимаемой и сжимаемой средах. Закон Колмагорова—Обухова и закон пяти третьих Колмагорова.
• Характерные масштаб и скорость вихрей области диссипации. Пространственное распределение поля турбулентности.
Турбопауза. Вертикальный ход коэффициента турбулентности. Струйные течения. Болтанка самолетов.
3. Упорядоченные движения в атмосфере
• Классификация атмосферных движений по методу теории подобия. Условие стационарности движений. Определения
планетарного пограничного слоя, приземного подслоя и свободной атмосферы. Условие горизонтальной однородности.
• Ветры в свободной атмосфере. Геострофический ветер и его изменение с высотой, понятие термического ветра.
Зональная циркуляция и её сезонно-высотный ход. Циклострофический ветер. Модель сил, действующих на частицу
воздуха и движение воздушных масс в циклонах и антициклонах. Агеострофическое отклонение ветра.
• Пограничный слой. Вертикальный профиль ветра в пограничном слое, спираль Экмана. Высота пограничного слоя.
Метод Лайхтмана для определения коэффициента турбулентности в пограничном слое. Взаимосвязь между
характерными параметрами пограничного слоя. Замыкание системы уравнений для пограничного слоя. Теории подобия
для пограничного слоя и приземного подслоя. Профиль ветра в приземном подслое. Шероховатость земной
поверхности.
• Свободная конвекция в атмосфере. Свободная конвекция, обусловленная горизонтальным градиентом температуры:
местные ветра (бризы и горно-долинные ветра), муссонная циркуляция, пассаты — антипассаты. Термическая
конвекция. Упрощённая теория термической конвекции. Критерии подобия ячеистой конвекции. Критическое число
Релея. Влияние лучистого теплообмена на ячеистую конвекцию.
• Представление поля крупномасштабных движений атмосферы как турбулентного. Использование этого представления
для оценки характеристик циркуляции атмосфер внутренних планет.
4. Тепловой режим атмосферы
• Радиационный и тепловой баланс систем подстилающей поверхности атмосферы и системы земля- атмосфера.
Радиационный и тепловой балансы, средние для Земли. Изменения климата всей земной поверхности и его возможные
причины. Методы влияния человека на энергетику атмосферы.
• Факторы теплового режима атмосферы. Лучистые притоки энергии (поглощение солнечного излучения, перенос
собственного излучения атмосферы, приближение лучистого равновесия). Притоки тепла, обусловленные
горизонтальными (адвекция) и вертикальными упорядоченными движениями в атмосфере; адиабатическое приближение
в тепловом режиме атмосферы. Притоки энергии за счет фотохимических процессов. Тепловой эффект фазовых
переходов воды. Приток тепла за счет диссипации кинетической энергии турбулентных движений. Приток тепла за счёт
молекулярной и турбулентной теплопроводности (теория теплового режима термосферы и мезопаузы; вентильный
эффект, метод определения равновесного градиента температуры). Макротурбулентный теплообмен в горизонтальной
плоскости.
• Модели вертикального распределения температуры в нижних слоях атмосферы. Приближение лучистого равновесия.
Модели лучисто-конвективной атмосферы.
• Регулярные вариации температуры. Простейшая модель суточного хода температуры в свободной атмосфере.
Регулярные вариации температуры в пограничном слое, водоёмах и почве. Заморозки и методы их предотвращения.
Литература
1. Гандин Л. С. и др. Основы динамической метеорологии. Гидрометеоиздат. 1955.
2. Гуди Р. М. Атмосферная радиация. Основы теории. Мир. М., 1966.
3. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. Наука. М., 1967.
4. Лайхтчан Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Гипрометеоиздат. Л, 1961.
5. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. Мир. М., 1966.
6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред ГИТТЛ. М., 1954.
7. Матвеев Л.Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Гидрометеоиздат. Л., 1965.
8. Пинус Н. З., Шметер С. М. Аэрология ч, 2. Гидрометеоиздат. 1965.
9. Татарский B. Н. Распространение волн в турбулентной атмосфере. Наука. М., 1967.
10. Тверской П. Н. Курс метеорологии. Гидрометеоычдат. М. 1963.
11. Хинце И. О. Турбулентность. ГИФМЛ. М., 1963.
12. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. ГИФМЛ. М., 1958
Физика облаков и туманов
1. Условия равновесия двухфазной и трехфазной однокомпонентной термодинамической системы. Стабильные и
нестабильные состояния. Поверхностное натяжение и свободная энергия «поверхностной фазы». Условия равновесия
системы газ — заряженная капля. Уравнение Дж. Томсона. Образование и рост зародышевой капли в чистой
газообразной фазе. Капли критического размера и вероятность их образования. Уравнение Клапейрона—Клаузиуса.
Упругость пара над растворами. Ядра конденсации, сублимации и кристаллизации и роль в образовании жидкой и
твёрдой фаз воды.
2. Изменение размера капель и кристаллов путем молекулярной диффузии водяного пара. Типы коагуляции капель.
Коэффициенты соударения, слияния и захвата или коагуляции. Эффект дробления капель. Кинетическое уравнение для
распределения капель по размерам. Уравнение водности. Микрофизические характеристики облаков и туманов.
3. Процессы образования облаков и туманов и классификация их по генетическому признаку. Понятия воздушной массы
и фронтальной поверхности. Общая постановка задачи возникновения и развития облаков. Системы уравнений для
слоистого и кучевого облаков.
4. Механизм образования осадков из водяных и смешанных облаков. Искусственные воздействия на облака и туманы.
Физические механизмы воздействия и их практическая реализация.
5. Способы стимулирования термической конвекции.
6. Газовое электричество. Заряды облачных капель и осадков.
7. Пространственное распределение зарядов в грозовом облаке.
8. Грозовые разряды, молния и механизмы её развития.
Литература
1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Наука, М., 1964.
2. Леонтович М. А. Введение в термодинамику. ГИТТЛ. М. Л., 1952.
3. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Гидрометеоиздат. Л., 1965.
4. Научные проблемы управления погодой. Гидрометеоиздат. Л., 1965.
5. Тверской П. Н. Курс метеорологии. Гидрометеоиздат. Л., 1962.
6. Флигль Р., Бузингер Дж. Введение в физику атмосферы. Мир. М., 1965.
7. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. ГИФМЛ. М., 1958.
Физика верхней атмосферы
1. Геомагнитные явления
• Вариации магнитного поля Земли (вековые и короткопериодические). Главное магнитное поле Земли и других планет.
• Электропроводность ионосферы, проводимости Холла и Педерсена. Регулярные вариации магнитного поля и их
причины. Экваториальная электроструя. Дрейфы электрических зарядов в F-слое.
• Корпускулярное излучение Солнца и его классификация. Галактические космические лучи, эффект Форбума. Методы
измерения потоков корпускулярного излучения. Динамическая теория солнечного ветра.
• Уравнения магнитной гидродинамики. Электродинамические эффекты. Вмороженное магнитное поле. Магнитная
сила. Магнитосфера Земли. Модель Чепмена—Ферраро, структура магнитосферы, токовая система на магнитопаузе,
ударная волны.
• Движение заряда в неоднородных магнитных полях (градиентный и центробежный дрейфы). Сохранение магнитного
момента заряжённой частицы при малых пространственных и временных изменениях магнитного поля. Магнитные
пробки. Радиационные пояса Земли: классификация движений зарядов, адиабатические инварианты, результаты
наблюдений, механизмы генерации и потерь частиц.
• Магнитные возмущения, их токовые системы и причины их появления (мировые магнитные бури, бухтообразные
вариации или полярные суббури, пульсации).
• Полярные сияния: формы сияния, причины, зоны полярных сияний (мгновенная, Фритца и внутренняя).
• Комплекс явлений, обусловленных солнечной активностью и коррелирующих с полярными сияниями и магнитными
бурями, источники энергии этих явлений. УВЧ, УНЧ. Нагревание верхней атмосферы. Рентгеновское излучение.
Дополнительная ионизация (радиосияние, мерцание радиозвёзд, поглощение радиоволн, спорадический слой Е).
2. Эмиссионные свечения верхней атмосферы
• Полярные сияния, свечения ночного неба, дневное и сумеречное свечение. Их спектры, механизмы, высоты и критерии
различения.
3. Динамика верхних слоев атмосферы
• Наблюдения движений нейтральной составляющей атмосферы. Внутренние гравитационные волны. Акустические
волны. Приливные колебания. Турбулентность, магнитогидродинамические эффекты.
4. Проблема Солнце-тропосферы
• Наблюдения взаимосвязи процессов на Солнце и процессов в тропосфере. Циклы солнечной активности. Возможное
влияние атмосферы на тектонические процессы.
Литература
1. Минин И. Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. М., Наука, 1988.
2. Мах-Картни Э. Оптика атмосферы. М. Мир. 1979.
3. Гуди P. M. Атмосферная радиация, 1. Основы теории. М., Мир, 1966.
4. Ку-Нан Лиоу. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат. 1984.
5. Кароль И. Л., Роганов В. В., Тимофеев Ю. М. Газовые примеси в атмосфере Л Гидрометеоиздат, 1983.
6. Флигль Р., Бузингер Дж. Введение в физику атмосферы. Мир. М., 1965.
7. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л, Гидрометеоиздат. 1987.
8. Ландсберг Г. С. Оптика. М. Гос. изд. тех.-тер. лит. 1957.
9. Уиттен Р, Поппов И. Основы аэрономии Л. Гидрометеоиздат, Л. 1977.
10. Мак-Ивен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. М.: Мир, М., 1978.
11. Чемберлен Дж. Теория планетных атмосфер. М.: Мир, 1981.
12. Краснопольский В. Л. Физика свечения атмосфер планет. М.: Наука, 1987.